سرعت فراصوت

زِبَرصوتی[2] یا «مافوق صوت» به سرعتی گفته می‌شود که از سرعت صوت (۳۴۳ متر بر ثانیه) بیشتر باشد. واحد زِبَرصوت ماخ است که برابر با سرعت صوت است و سنجش سرعت زِبَرصوت با تقسیم سرعت کلی بر عدد ماخ (۳۴۳ متر بر ثانیه) انجام می‌شود که نتیجه نهایی ضریب سرعت زبرصوت است، برای نمونه سرعت هواپیمایی ۲٫۲ ماخ است که یعنی این هواپیما سرعت زبرصوتی برابر با ۲ و ۲ دهم برابر ماخ دارد که می‌شود :۳۴۳ ضرب در ۲٫۲ مساوی با ۷۵۴٫۶ متر بر ثانیه یا ۲۷۱۶ کیلومتر در ساعت. طبقه‌بندی بالاتر از زبرصوت، ابرصوت نام دارد که محدوده آن از ۵ تا ۱۰ ماخ است.

با فراصوت اشتباه نشود.
هواپیمای اف-۱۸هورنت در حال شکستن دیوار صوتی. قطرات آب در اثر افت فشار (به پدیده تکینگی پرانتل−گلارت رجوع کنید) تشکیل حلقه‌ای سفید رنگ داده‌اند.[1]

زبرصوت با فراصوت تفاوت آشکار دارد. زیرا زبرصوت نرخ سرعت جسم است که با ماخ سنجیده می‌شود و فراصوت به صداهای فراتر از توان شنیداری گفته می‌شود که با بسامد سنجیده می‌شود و در برابر آن فروصوت یا صداهای فروتر از توان شنیداری قرار می‌گیرند که با زیرصوت فرق دارد. بعبارت دیگر زیرصوت و زبرصوت طبقه‌بندی سرعت جسم متحرک‌اند و فروصوت و فراصوت طبقه‌بندی بسامد صدا می‌باشند.

خصوصیات صوت و دیوار صوتی
شکستن دیوار صوتی و امواج کوبشی آن در پرواز زبرصوتی ۱ و ۱ دهم ماخ جنگنده

خصوصیات صدا و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است. صوت، در شرایط عادی (دما، فشار و … معمولی) در سطح آب‌های آزاد دارای سرعتی معادل ۳۴۰ متر بر ثانیه است که این سرعت، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکول‌های هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آن‌ها فضا را طی می‌کند و هر چه تعداد مولکول‌ها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنان‌که سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل ۶۰۰۰ متر بر ثانیه است.

پس در نتیجه افزایش ارتفاع، تعداد ملکول‌ها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند. عدد ماخ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی اتریشی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار، تغییر کرده و کاهش یا افزایش می‌یابد.

عامل ایجاد دیوار صوتی
بوئینگ اف/ای-۱۸ سوپر هورنت نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا

امواج شوک در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب به وجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکول‌های آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آن‌ها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا، تشکیل می‌شوند.

عدد ماخ بحرانی

به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی می‌گویند. عدد ماخ بحرانی را می‌توان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می‌گیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت، فرامین هواپیما کم‌کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه‌ای به وجود می‌آید که با گذر از دیوار صوتی، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود بازمی‌گردند.

اثرات شکست دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت، بسیار قدرتمند می‌باشند، چنان‌که در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه‌های منازل و ساختمان‌ها برخورد نموده و باعث شکستن آن‌ها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای به‌طور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

از امواج ضربه‌ای، در بمب‌ها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می‌شود. بمب‌ها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه‌هایی از هوا، امواج ضربه‌ای به وجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه‌ها و تخریب دیوارها نیز می‌شود. اگر شخصی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلاء، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه‌ای وجود ندارد.

به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعتهای حدود سرعت صوت، خلبانان سعی می‌کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعتهایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعت‌ها نیروی بسیار زیاد موتور در نتیجه افزایش فوق‌العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.

منابع
  1. APOD: 2007 August 19 - A Sonic Boom
  2. واژه معادل مصوب فرهنگستان زبان و ادب فارسی برای واژه انگلیسی supersound، با فراصوت که معادل ultrasound است اشتباه نشود
  • واژه معادل مصوب فرهنگستان زبان و ادب فارسی برای واژه انگلیسی supersound، با فراصوت که معادل ultrasound است اشتباه نشود.http://www.persianacademy.ir/fa/wordsSearch.aspx
  • «پرواز مافوق صوت چیست؟». بایگانی‌شده از اصلی در ۳ فوریه ۲۰۱۶. دریافت‌شده در ۲۰ اکتبر ۲۰۱۹.
  • مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Supersonic speed». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۶ مارس ۲۰۱۳.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.